CC BY
14
Pyatakovich Valeriy Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, Chief of a Research Laboratory, pva. 8 77com@mail. ru, Russia, Vladivostok, The Pacific Higher Naval College named after S. О. Makarov,
Vasilenko Anna Mihailovna, candidate of technical sciences, researcher, ka-hunvaagmail. com, Russia, Vladivostok, The Pacific Higher Naval College named after S. О. Makarov
УДК 678.01:53
КОНТРОЛЬ СТЕПЕНИ СТАРЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ
МЕТОДОМ
А. А. Хвостов, С.Г. Тихомиров, В.И. Ряжских, В.В. Синюков, А.В. Иванов
В работе рассматривается метод акустического контроля полимерных покрытий деталей и узлов авиационных комплексов, позволяющий оценивать параметры полимерного покрытия, характеризующие степень его старения без демонтажа самого покрытия.
Ключевые слова: неразрушающие методы контроля, ультразвуковые методы контроля качества эластомеров.
При создании авиационных комплексов в качестве функциональных покрытий используются полимерные композиционные материалы специального назначения. Они предназначены для решения ряда задач, связанных со снижением радиолокационной заметности, массогабаритных характеристик, вибраций, повышением коррозионной стойкости, качества изоляции и т.д. [1,2]. К отдельному классу полимерных покрытий относятся покрытия из эластомеров и резин на их основе. Они как правило решают задачи вибро- и ударопоглощения, гидро- и электроизоляции, адгезив-ности, а также являются несущей основой для других функциональных покрытий. При длительной эксплуатации, а также при хранении образцов авиационной техники в сложных условиях воздействия предельных температурных и механических нагрузок состояние защитных покрытий из эластомеров и резин на их основе их физико-механические свойства (прочность, пластичность, эластичность и т.п.) ухудшаются. Основными причинами являются окисление, тепловое, озонное, радиационное и световое старение, а также утомление [3]. В современных авиационных комплексах, оснащенных конструкционными элементами и узлами с композитными полимерными покрытиями, которые невозможно демонтировать, не нарушив при этом функционирование системы, с одной стороны, а с другой стороны, старение покрытия приводит к ухудшению качества
455
функционирования этих систем, особую актуальность приобретают методы неразрушающего экспресс-анализа свойств покрытия, характеризующих степень его старения.
Одним из эффективных методов, подходящим для оценки физико-механических свойств эластомеров и резин на их основе, являются виброакустические (в частности методы неразрушающего контроля с использованием ультразвука). Они обладают необходимыми для практического использования свойствами: компактностью, высокой чувствительностью, низкой стоимостью, оперативностью, возможностью реализации неразрушающего и, в ряде случаев, бесконтактного контроля, автоматизации измерений. Так же за счет изменения частоты и температуры возможна реализация множества режимов измерений [4].
По известным условиям проведения измерений (частоты ю, Гц и температуры Т, К) и толщины образца (И, м), а так же измеренным параметрам колебательных процессов, возбуждаемых в образце ультразвуковым преобразователем (амплитуд излученного и принятого сигналов Аизл, Апр), регистрируемых приемником и осциллографом для передачи на
ЭВМ (рис. 5), определяются акустические свойства эластомера (а - коэффициент затухания, м-1; с - скорость звука, м/с;) при заданных ю и Т:
1 А И
а = 1. 1п ^, с = —. (1)
И Апр А?
Предлагаемый метод контроля базируется на функциональных зависимостях, формализующих связь измеряемых акустических характеристик контролируемого образца с показателями качества эластомеров и резин на их основе, которые изменяются в процессе старения полимера. Как правило, старение и связанные с ним функциональные изменения большинства эластомеров и резин на их основе, выражаются в снижении эластичности, прочности при растяжении, относительного удлинения, уменьшении сопротивления истиранию, повышении гистерезисных потерь и твердости, изменении вязкости, пластичности и растворимости не вулканизированного эластомера. Кроме этого, процессы старения приводят к значительному уменьшению продолжительности эксплуатации изделий [5]. Одним из способов формализации коэффициента старения является оценка отношения значений показателя в конце (Рк^) и начале (Рк{) периода оценки старения:
Крк = Рк2/ Рк1. (2)
Разработка корректной математической модели, которая свяжет физико-механические показатели эластомера с его измеряемыми акустическими свойствами, позволит синтезировать систему экспресс-контроля акустическим методом качества функционального покрытия элементов авиационной техники выполненного из эластомеров и резин на их основе.
456
Поскольку на коэффициент старения эластомера оказывает влияние целый ряд физико-механических показателей, встает задача выбора такого косвенного показателя, который обеспечит максимальную чувствительность при наименьшей погрешности расчетов. Также, ввиду особенности термомеханических методов контроля физико-механических свойств полимеров, появляется возможность изменения условий испытаний (температур и частот исследований). Это, в свою очередь, позволяет повысить метрологические характеристики метода контроля. Таким образом, необходимо обеспечить максимум чувствительности Spk при минимуме ошибки расчета epk по измерительному каналу. Выбор режима осуществляется с использованием критерия оптимальности вида
Sopt - 4e2pk(w,T)-4S2k(w,T) >min,
ше(ш„ь «„2),T î(Tm1,Tm2). (3)
где Sopt - критерий оптимальности; 4, A - весовые коэффициенты,
SPk -
i
£ dPk (a, c) i-1
Эа
\2 / +
a-a
i
£ ЭРк (a, c)
V
i-1
Эс
2
с - с
- функция чувствитель-
i У
ности по скорости звука и коэффициенту затухания; е рк (ю) - погрешность измерения; т - число контрольных точек; п1, п2 -частотные диапазоны измерений; т1, т2 - температурные диапазоны измерений.
Косвенная оценка степени старения эластомеров и резин на их основе возможна, например, на таких, широко используемых в промышленности синтетического каучука и резинотехнических изделий, физико-механических показателях качества, как твердость, вязкость и предельная прочность при разрыве.
Характерным косвенным показателем, по которому судят о степени старения эластомеров и резин на их основе, является твердость по Шору (БИ). Способ контроля твердости по Шору эластомеров акустическим методом базируется на связи характеристик колебательной системы «преобразователь - индентор - материал» с коэффициентом затухания а [2]. Таким образом, вид математической модели связи будет следующий:
БИ = Вх! а + В2, (4)
где В1 и В2 - параметры модели, характерные для конкретной марки полимера.
Используя критерий (3), для резин на основе каучука СКС-30, идентифицированы значения коэффициентов В1 = 3158, В2 = 48,8, при этом относительная погрешность расчетов по модели составила е =3,46% при частоте акустического сигнала 2,5 МГц и температуре 303 К.
457
Модель связи для оценки предельной прочности при разрыве (о р . МПа) получена, исходя из связи прочности с модулем упругости:
о Р = Р ■
Г
V А У
= Р ■
2 2 рс ю
аИ
ю
22 а с
(ю2 + а 2 с 212
т
(5)
где Р и т - постоянные, характерные для конкретной марки полимера, А = аИ - логарифмический декремент затухания.
Для резин на основе каучука СКС-30, используя критерий (3), получены значения коэффициентов Р = 2,276 10-8 и т = 1 относительная погрешность расчетов по модели составила £ =4,28 % при частоте акустического сигнала 2,5 МГц и температуре 293 К.
С учетом степенного влияния структурно-молекулярных характеристик на вязкоупругие свойства полимера, выведено уравнение, связывающее вязкость по Муни (МИ, ед. Муни) и вязкую составляющую комплексного модуля упругости (ц) полимера и, имеющее вид:
МИ = 71 ■ц72 = 71 ■( рас:
ю
1 +
Г Л 2
' асх ю
7 2
(6)
где 71 и 7 2 - постоянные, характерные для конкретной марки полимера. Для резин на основе каучука СКС-30, используя критерий (3), получены значения коэффициентов 71 = 336,1 и 72 =-0,213 относительная погрешность расчетов по модели составила £ =0,95 % при частоте акустического сигнала 0,6 МГц и температуре 373 К.
Графики соответствия экспериментальных и расчетных значений МИ , БИ, ор приведены на рис. 1, 2, 3.
Сравнительный анализ полученных математических моделей осуществлялся на основе сопоставления погрешностей расчетов и чувствительности к изменению входного сигнала при разных условиях измерения (частотах и температурах). В табл. 1 представлены значения параметров для каждых из выбранных математических моделей связи показателя качества с акустическими свойствами резинотехнического изделия.
Как видно из данных, представленных в таблице, наилучшие метрологические характеристики при оценке коэффициента старения (для образцов резин на основе каучука СКС-30) по погрешности измерений представляет вязкость по Муни, однако наибольшей чувствительностью обладает оценка по пределу прочности при разрыве. Также следует учитывать энергетические и временные затраты на приведение условий ультразвуковых измерений к оптимальным с точки зрения метрологических характеристик условиям (термостатирование и задание необходимой частоты ультразвуко-
458
2
вого воздействия на образец). Очевидно, что в такой ситуации необходимо выбрать некоторый компромиссный вариант, причем в каждом конкретном случае результат выбора должен быть обоснован количественно или при выборе использоваться интуиция лица принимающего решение.
Значения параметров для каждых из выбранных математических
моделей
№ п/п Показатель качества Относительная погрешность, % Относительная чувствительность, %
1 Твердость по Шору, ед. ШорА 3,46 0,64
2 Предел прочности при разрыве, Мпа 4,28 0,82
3 Вязкость по Муни, ед. Муни 0,95 0,16
Следующим этапом является оценка связи выбранного по функциональной зависимости показателя качества с коэффициентом старения. Отобранные для исследования образцы были отсортированы по степени старения и представлены на рис. 4 в безразмерном масштабе времени. На рис. 4 показаны результаты оценки зависимости выбранных для исследований показателей качества от коэффициента старения полимера. Видно, что с течением времени чувствительность разных показателей качества на коэффициент старения меняется, также существенно изменяется линейность статической характеристики канала измерения.
МН, ед. Муни 54"
52"
50"
48"
4613 13 13 13 13 4x10 5x10 6x10 7x10 8x10
, г/г
Рис. 1. Зависимость вязкости по Муни от акустических свойств
полимера
459
БН,ед.ШорА
80г
75"
70"
65"
60— 100
150
200
250
а,м
-1
Рис. 2. Зависимость твердости по Шору от акустических свойств
полимера
Ор ,МПа 32т
с
аН
9x10
1x10
1.1х106 1.2х106 1.3х106 1.4х106
Рис. 3. Зависимость предельной прочности при разрыве от акустических свойств полимера
Система экспресс-анализа, представленная на рис. 5 обеспечивает генерирование импульсов возмущающего акустического сигнала на приемопередающий пьезокерамический преобразователь, их регистрацию, обработку на ЭВМ и расчет акустических характеристик полимера а, с по формулам (1), выбранного в качестве косвенного показателя качества полимера по формулам (4), (5), (6) и коэффициента старения по формуле (2).
Представленные на рис. 4 и в таблице данные позволяют сделать вывод о том, что выбор показателя качества для косвенной оценки коэффициента старения К, является задачей принятия решения с учетом многих факторов, трактовка которых для каждой марки эластомера или резинотехнического изделия в соответствующий промежуток времени будет различной. При этом использование при принятии решения результатов измерений сразу нескольких косвенных показателей снизит вероятность ошибки при оценке степени старения эластомера или резины на его основе. Например, анализируя рис. 4, можно прийти к выводу, что по шкале безразмерного времени на участке 0-2,25 единиц вязкость по Муни практически не меняется, что не позволяет использовать её для косвенной оценки степени старения, а на участке 5-8 единиц аналогичная картина наблюдается для предельной прочности при разрыве. На способы неразрушающего контроля, представленные в работе, получены патенты РФ [6-8].
О---Оценка К^ с использованием твердости по Шору
□- Оценка К^ с использованием вязкости по Муни
х-----Оценка КСр с использованием предела прочности
при разрыве
Рис. 4. Изменение оценок коэффициента старения с использованием разных показателей качества эластомеров
461
Цифровой
Льезшлсктрический преобразователь
ЗБуИНфЛЕОДЖЩИН ГЁИЬ
Г _ъ А
/ ч
С] >
полимерное покрыше Цифровой
\ Л——. Чг
Рис. 5. Система акустического экспресс-анализа коэффициента
старения эластомеров
Таким образом, дальнейшим развитием проведенных исследований является разработка системы поддержки принятия решения о выборе показателя качества для проведения косвенной оценки коэффициента старения по акустическим измерениям с учетом вышеперечисленных факторов. А также реализация технического устройства, позволяющего осуществлять экспресс-анализ качественного состояния функциональных покрытий элементов авиационной техники, выполненных из эластомеров и резин на их основе, при воздействии предельных температурных и механических нагрузок.
Список литературы
1. Михеев С.В., Строганов Г.Б., Ромашкин А.Г. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике. М.: Альтекс, 2002. 274 с.
2. Федюнин П. А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники / Под общей ред. П.А. Федюнина. М: Физико-математическая литература, 2012. 184 с.
3. Шутилин Ю.Ф. Справочное пособие по свойствам и применению эластомеров. Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2003. 870 с.
4. Битюков В.К., Тихомиров С.Г., Хвостов А.А., Зайчиков М.А. Контроль показателей качества эластомеров акустическим методом с учетом их частотно-температурных характеристик [Текст] // Мехатроника, автоматизация и управление, 2007. № 7. С. 11-14.
462
5. Тарасов З.Н. Старение и стабилизация синтетических каучуков. М.: Химия, 1980. 264 с.
6. Патент РФ №2006107830/28, 20.03.2008. Способ ультразвукового контроля вязкости по Муни полимеров // Патент России № 2319956. 2006. Бюл. № 8. / Хвостов А.А., Битюков В.К., Тихомиров С.Г. [и др.].
7. Патент РФ №2006107831/28, 20.03.2008. Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров // Патент России № 2319957. 2006. Бюл. № 8. / Хвостов А.А., Битюков В.К., Тихомиров С.Г. [и др.].
8. Патент РФ №2016130498, 25.07.2016. Способ ультразвукового контроля твердости полимеров // Патент России № 2624415. 2017. Бюл. №8. / Хвостов А.А., Никитченко А.А., Черниченко В.В. [и др.].
Хвостов Анатолий Анатольевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Воронеж, Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
Тихомиров Сергей Германович, д-р техн. наук, проф., tikhomirov [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий,
Ряжских Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., ryazhskih vi@,mail.ru, Россия, Воронеж, Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»,
Синюков Виктор Васильевич, канд. техн. наук, sinukovhome@,mail.ru, Россия, Воронеж, Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
Иванов Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Воронеж, Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»
CONTROL OF THE AGE OF AGING OF POLYMERIC COATINGS OF ELEMENTS OF AERONAUTICAL TECHNIQUE BY ULTRASOUND METHOD
A.A. Khvostov, S.G. Tikhomirov, V.I. Ryazhskikh, V.V. Sinyukov, A.V. Ivanov
The method of acoustic control of polymer coatings of parts and assemblies of aviation complexes is considered, which makes it possible to evaluate the parameters of the polymer coating characterizing the degree of its aging without dismantling the coating itself.
Key words: non-destructive testing methods, ultrasonic methods for quality control of elastomers.
Khvostov Anatoly Anatolievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Voronezh, Military Educational and Scientific Center of the Air Force "The Air Force Academy named after Professor N. Ye. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin ",
Tikhomirov Sergey Germanovich, doctor of technical sciences, professor, tikhomirov 5 7@,mail. ru, Voronezh, Russia, Voronezh State University of Engineering Technologies,
Ryazhskikh Victor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, ryazhskih viaimail.ru, Russia, Voronezh, Military Airborne Military Training and Research Center "Air Force Academy named after Professor N.Ye. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin ",
Sinyukov Victor Vasilievich, candidate of technical sciences, sinukovhome @mail. ru, Russia, Voronezh, Military Educational Scientific Center of the Air Force "The Air Force Academy named after Professor N. Ye. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin",
Ivanov Aleksey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ivanovav@mail. ru, Russia, Voronezh, Military Educational and Scientific Center of the Air Force "The Air Force Academy named after Professor N. Ye. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin"
УДК 621.317
О ПОДХОДЕ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭРГАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
В. А. Смагин, А.Н. Новиков
Построено сложное распределение вероятностей, состоящее из двух ступеней. В его первой нижней ступени расположено произвольное распределение. Вторая ступень распределения является показателем степени первого распределения и представляет собой другое произвольное распределение вероятностей. Каждое из двух распределений может быть представлено как в дискретной, так и непрерывной форме. Предложенное двухстепенное распределение может использоваться для решения вероятностных задач исследования показателей метрологической надежности эрга-тических систем управления, в составе которых присутствуют автоматизированные измерительные системы, управляемые отдельным человеком-оператором или коллективом операторов, характеризующих такие свойства оператора (группы операторов), как «ресурс безошибочного функционирования» в целях определения требуемого уровня обученности (тренированности) оператора на этапе испытаний автоматизированной измерительной системы в составе информационно-управляющего комплекса. Для связи теоретического и практического аспектов работы приведено формализованное решение прямой и обратной задачи для тренировок группы операторов.
Ключевые слова: автоматизированная измерительная система, достоверность распознавания и интерпретации измерительной информации, метрологическая надежность, испытания, степенное распределение вероятностей, обучение, тренировка.
В настоящее время в промышленности и научных исследованиях автоматизированные измерительные системы (далее - АИС) все чаще используются в качестве основного элемента информационно-управляющих комплексов (далее - ИУК), применяемых для управления технологическими процессами при эксплуатации крупных промышленных объектов
464
